Chapitre 2 Spectres de la lumière et phénomène de dispersion

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1 Chapitre 2 Spectres de la lumière et phénomène de dispersion Activité 1 : Ce que nous apprend la lumière émise par les étoiles 1. Lorsqu on observe une étoile à l œil nu (jamais le soleil, danger pour les yeux), quelle est sa couleur? 2. Faire la liste des propriétés qui, à votre avis, distinguent une étoile d une autre. Pour obtenir des informations sur une étoile en l observant, il faut analyser la lumière qu elle nous envoie. Pour ceci on utilise un appareil appelé spectroscope qui permet d obtenir des spectres. En observant le ciel (donc en faisant entrer la lumière du jour) dans un tel spectroscope, décrire avec des mots ou par un schéma ce que vous observez. Lire le document distribué par le professeur ("Le spectre des étoiles") puis répondre aux questions 3 et Les astronomes savent déterminer la température d une étoile grâce à son spectre. Comment peut-on, si l on dispose des spectres de deux étoiles, distinguer la plus froide de la plus chaude? Justifier la réponse en utilisant le document. 4. On constate que les spectres présentés sur le document comportent des raies sombres. Que peuvent nous apprendre ces raies à propos des étoiles? Activité 2 : Premières utilisations d'un spectroscope 1. Pour comparer le spectre que vous avez obtenu lors de l observation du ciel (activité 1) à un arc-en-ciel, remplir les colonnes 1 et 2 du tableau suivant : Source Milieu de propagation Objet permettant de voir les couleurs Passe-t-on d'une couleur à une autre en continu ou y a-t-il des interruptions? Observation du spectre de la lumière du jour en continu avec interruptions Observation d'un arc en ciel en continu avec interruptions Observation du spectre des lampes en continu avec interruptions 2. Observer ensuite la lumière produite par les lampes de la salle et représenter approximativement le spectre dans le cadre ci-dessous. 3. Compléter la colonne 3 du tableau.

2 Document : Le spectre des étoiles texte : d après «ciel et espace» (n 471, août 2009) images : d après Wikipedia ( La spectroscopie, c est l art de décomposer la lumière des astres pour lui soutirer des informations : vitesse, température, composition chimique, etc. On a reproduit ci-dessous les spectres de différentes étoiles. Chacune appartient à une famille, que les astronomes appellent leur «type spectral». En haut se trouvent les étoiles les plus chaudes et en bas les plus froides. Les raies sombres présentes dans les spectres dépendent de la composition de l étoile. Type O : Type B : Type F : Type G : Type K : Type M :

3 Activité 3 : Dans la peau de Newton : une prévision sur le rôle du prisme Dans un spectroscope, il y a un prisme (ou un réseau, ce qui a le même effet). L'objectif de cette activité est de comprendre le rôle du prisme vis-à-vis de la lumière. Expérience de Newton Depuis 1664, Isaac Newton ( ) note dans des carnets ses lectures, ses expériences et ses idées. Il étudie la Géométrie de Descartes et les travaux de Kepler, et réfléchit au problème de la lumière et des couleurs. A cette époque, on sait depuis longtemps qu'un prisme de verre donne des couleurs à un rayon de soleil qui le traverse. L'explication repose sur les très vieilles idées d'aristote : la lumière est blanche et les couleurs naissent progressivement de son affaiblissement dans le prisme. Un rayon blanc traversant le prisme se colore de rouge du côté de l'arête et de bleu du côté de la base car les épaisseurs traversées sont différentes. Newton réfléchit à tout cela et il raconte : "au début de l'année 1666, je me procurai un prisme de verre pour réaliser la célèbre expérience des couleurs. Ayant à cet effet obscurci ma chambre et fait un petit trou dans les volets, pour laisser entrer une quantité convenable de rayons de soleil, je plaçai mon prisme contre ce trou, pour réfracter les rayons sur le mur opposé. Ce fut d'abord très plaisant de contempler les couleurs vives et intenses ainsi produites." D'après Newton et la mécanique céleste de J.-P. Maury (éditions Gallimard) Afin de reproduire l expérience de Newton à l aide du matériel disponible, on impose les contraintes suivantes : la lumière ne doit entrer que par une seule face du prisme et ne ressortir que par une seule autre. Cela interdit que les arêtes du prisme reçoivent de la lumière. Pour y parvenir plus facilement, vous devez réduire la largeur du flux de lumière à l aide de pièces de bois qui servent de caches ; le prisme doit être placé de telle sorte que les différentes couleurs (comparables à celles de l arc-en-ciel) s observent sur la feuille. Une fois que vous pensez avoir réussi à reproduire l expérience de Newton avec ces contraintes, appelez le professeur. Suite de l expérience de Newton De fil en aiguille, pour tester l explication d Aristote, Newton arrive bientôt à ce qu'il appelle l'expérience cruciale : à l'aide d'un trou dans une planche, il isole la partie rouge de lumière et il envoie cette lumière sur un second prisme. Qu'a observé Newton après le 2 e prisme? 1- Prévision à faire par écrit! Sur la table après le premier prisme, on isole la couleur rouge à l aide de caches et on place un second prisme sur le chemin de la lumière. a) Que va-t-on observer après le 2 e prisme? Justifier votre réponse avec un ou plusieurs arguments de votre choix. Caches? b) Votre prévision est-elle la même si on isole la couleur verte? Expliquer pourquoi. Appeler le professeur pour lui montrer votre prévision ou comparer avec d autres groupes 2- Expérience et résultats Faire l expérience. Compléter le nouveau schéma pour indiquer ce qu'on observe. Ce que vous observez est-il en accord avec ce que vous aviez prévu? Si votre argumentation ne vous parait pas en accord avec l'observation, tenter d'en formuler une autre ou de la corriger.

4 C2- Activité 3 (fin) 3- Interprétation On donne ci-dessous la suite du texte précédent : «Cette fois Newton en est sûr, la lumière blanche est un mélange de lumière de toutes les couleurs et le prisme dévie différemment ces diverses lumières. Dès lors il multiplie les expériences montrant en particulier que l'on peut refaire de la lumière blanche en mélangeant des lumières de couleurs!». 1. Choisir alors parmi les deux affirmations suivantes celle qui vous parait la plus adaptée : le prisme est un objet à "fabriquer" les couleurs de l'arc-en-ciel. le prisme est un objet qui permet de faire apparaître des couleurs si plusieurs y entrent. Lire les paragraphes A et B du modèle de la lumière et de sa dispersion. 2. Souligner ou surligner dans le modèle les phrases du modèle qui permettent d'interpréter l expérience de Newton? Caches?

5 Activité 4 : Retour sur la lumière émise par un corps chauffé Vous disposez pour cette activité du Modèle de la lumière et de sa dispersion ainsi que de la définition d'un spectre ci-dessous. Définition d un spectre L image (recueillie sur un écran ou observée à l aide d un instrument) lors d une expérience de dispersion de la lumière se nomme un spectre. Le même mot sert pour nommer cette image et pour désigner l ensemble des ondes qui composent la lumière dispersée. Les dispositifs qui ont pour but de disperser la lumière sont des spectroscopes. Partie A Étude du spectre de la lumière émise par une ampoule à incandescence On dispose d une ampoule à filament dans laquelle on peut faire passer un courant d intensité plus ou moins grande. Plus l'intensité du courant est importante, plus le filament de la lampe s échauffe. Pour analyser la lumière émise par le filament de la lampe, on regarde le filament allumé à travers un spectroscope. 1. Prévoir ce qu on va observer lorsque l on augmente l intensité du courant qui traverse la lampe : Couleur du filament Rouge orangé Spectres Température (entourer Faible ou Forte) Faible Forte 2- Observer En utilisant le spectroscope, corriger les spectres par rapport à vos prévisions s'ils ne sont pas conformes à ce que vous avez prévu. Sinon ne rien ajouter. Couleur du filament Rouge orangé Spectres blanc Faible Forte blanc Partie B Métal chauffé dans une flamme a) Indiquer la couleur de la tige de fer qui commence à être chauffée dans une flamme. b) Justifier l expression «Chauffer à blanc». c) A votre avis, qu'est-ce qui change lorsque la flamme du bec bunsen passe du jaune au bleu? Compléter le paragraphe B1 du modèle. Partie C Couleur et température d une étoile Redonner à chaque étoile sa température de surface parmi : 3300 C ; 5500 C ; 8000 C ; C Température moyenne Couleur bleutée rouge blanche Etoile Rigel Bételgeuse Procyon Soleil Activité 5 : Spectres de différentes lampes. Une lampe spectrale contient une ampoule de verre qui contient un gaz d atomes à faible pression. Ce gaz est porté à haute température par des décharges électriques et émet de la lumière, que l on peut également analyser avec un spectroscope 1. Observez à l œil nu la lumière émise par différentes lampes, et compléter le tableau suivant (colonne 2). 2. Observez, à travers le spectroscope la lumière émise par chacune des deux lampes puis dessinez avec des crayons de couleurs les spectres des lumières émises par les lampes (dernière colonne). Faites de même avec la lampe à hydrogène et un spectroscope à prisme plus performant. Nom de la lampe Couleur de la lumière émise Spectre d émission de cette lampe Lampe "néon" de la salle lampe à vapeur de mercure lampe à vapeur de sodium lampe à dihydrogène A la fin de l'activité, compléter le paragraphe B2 du modèle.

6 Activité 6 : Détermination de la composition d une étoile à l aide de son spectre Activité 6 - Partie A - Détermination de la composition chimique de l étoile Deneb : Lire et compléter la fin du modèle des spectres (paragraphe C). On va utiliser le simulateur «Analyse-spectrale». Lancer ce simulateur. L écran de droite représente une zone du ciel visible en été (appelée «le triangle d été»). Rechercher l étoile Deneb et cliquer dessus. Son spectre apparaît. Les raies noires correspondent à des ondes lumineuses monochromatiques absorbées par la couche externe de l étoile. Utiliser ensuite les fonctionnalités du logiciel pour déterminer quels éléments chimiques, parmi ceux proposés, composent les couches externes de Deneb. Faire la liste de ces éléments. Activité 6 - Partie B Interprétation du spectre de la lumière des étoiles Document : Structure de notre étoile, le Soleil Dans une description simplifiée, le Soleil, comme la plupart des étoiles, peut être décomposé en 4 «couches» : Le noyau : C est la partie centrale du Soleil. La température y vaut en moyenne 15,5 millions de degrés. Des réactions de fusion nucléaire s y produisent, qui sont à l origine de l énergie produite par l étoile. La zone de radiation et de convection : C est une couche de gaz à l intérieur de laquelle la chaleur produite par le noyau de propage vers l extérieur de l étoile. La photosphère : Il y règne une température de quelques milliers de degrés. C est une couche de matière qui émet de la lumière blanche dont le spectre est continu. La chromosphère : Il s agit d une couche gazeuse qui est constituée d ions et d atomes. no yau chro mosph è re p ho to sp hè re zone d e rad ia tion e t d e con vect ion Les astrophysiciens savent que les raies noires sur le spectre d une étoile permettent de connaître sa composition chimique. Cette affirmation mérite d être précisée : 1. Pour le soleil, quelle est la couche responsable de ces raies noires? 2. Pourquoi peut-on en tirer une information sur la composition chimique de la couche? Indiquer quel paragraphe du modèle des spectres vous utilisez. Activité 6 - Partie C Analyse du spectre de la lumière provenant du soleil 1. Pourquoi n est-il pas possible d obtenir un spectre de la lumière émise par le soleil sans raies d'absorption? 2. Pourquoi le spectre de la lumière solaire obtenu avec un télescope spatial comporte-t-il moins de raies d'absorption que celui obtenu sur Terre? 3. Comment peut-on expliquer que les spectres des étoiles soient plus riches en raies d absorptions lorsqu ils sont obtenus sur Terre? 4. Pourquoi ne voit-on pas les raies d absorptions avec le spectroscope utilisé en classe?

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